带有热管理和安全泄放系统的管状电池组和集成管状电池的制作方法

1.发明领域本发明涉及电动汽车和机器设备管状电池组和集成管状电池的制造，其特点是利用安装在高效管壳式换热器结构内薄管中的高能量密度锂离子电池进行热管理。电池包含一个或多个模块。每个模块都有一束管安装在矩形壳或柱形壳上。每根管内都安装有一个锂离子电池，并通过薄垫圈与管壁保持电绝缘。电池外表面的其余部分暴露，并将热量辐射到管内壁。冷却或加热介质在壳内外和管的外表面循环，以保持在0℃-50℃的最适温度范围内。管壳式电池有电池管理系统、温控系统和安全泄放系统。2.现有技术电动汽车用电池是通过封装18650型可充电锂离子电池或其他新研发的电池而成的。数百个锂离子电池被封装进一个模块中，且多个模块之间相互连接，形成包括成千上万个电池的全电池组。大量的电池就需要有一个高效的冷却系统，以防止电池在运行和充电过程中发热。同样地，当环境温度低于0℃时，则需要一个加热系统。最好是热流体能够到达每个电池附近，并实现整个电池内温度一致，从而避免出现热点和电池损坏。电池必须与热流体绝缘，以防止电力流失到周围环境，及防火防腐，以及实现电池组的安全运行和耐用性。电池往往通过低导电性聚合物粘合在一起，这使得更换单个电池以及修复模块变得很难实现。当单个电池或多个电池发生爆裂时会释放气体，这就需要有一个安全泄放系统来收集这些气体，并将其安全排出。颁发给bourke等人(于2021年1月5日颁发)的第10,886,512b2号美国专利举例说明了全新设计的，带有热管理系统的电池组。所有电池都并联安装，并通过作为水平底板一部分的连接器等纵向翅片到达每个电池附近。电池的工作方式和天气状况决定了是通过流体循环对板进行加热还是冷却。所有电池之间都可互通，且任何气体释放若无排气系统，则会影响整个模块和电池组。热点的存在很可能是因为流体只在底板循环，并依靠翅片或滞流膜进一步将热量从电池传导到底板。由于缺乏绝缘，以及因所有电池之间互通导致的热量流失到周围环境，冬季对模块进行加热会是一个挑战。颁发给kim等人(于2019年7月2日颁发)的第10340565b2号美国专利要求流体流经的管安装在翅片等板的外围，而反过来，翅片又与称为电池单元的矩形电池接触。电池越大，散热效率就越低；且由于管、翅片和框架尺寸所占用的空间，电池越小，获得的能量密度就越小。颁发给sekiya等人(于2021年1月19日颁发)的第10,897,067b2号美国专利要求冷却水管安装在传热板片的外围，而反过来，板片又固定在矩形电池模块的下表面。该系统与颁发给kim等人的第10340565b2号美国专利类似。颁发给butterfield等人(于2021年1月5日颁发)的第10,886,580b2号美国专利要求每个圆柱形电池单元都连接到冷却板上，而冷却板又可能包括冷却流体通道。该系统与颁发给kim等人的第10340565b2号美国专利和颁发给sekiya等人的第10,897,067b2号美国专利类似。这些都不提供任何安全泄放保护，以免在任何电池故障期间遭受潜在的气体释放。维修极其有难度，因此设计时未予考虑。热交换效率也不高，还可能会出现热点。颁发给pucher(于2020年12月15日颁发)的第10,868,347b2号美国专利要求冷却板转而可包括内部模塑的一个或多个冷却管。该系统与颁发给kim等人的第10340565b2号美国专利和颁发给sekiya等人的第10,897,067b2号美国专利类似。颁发给meyer等人(于2016年8月16日颁发)的第9,419,316b2号美国专利要求在多个电池外围部分有蛇形流体循环管。电池连接到交错的翅片上，而翅片又连接到循环管上。这大大限制了电池数量并极大降低了能量密度。热交换效率也不高，还可能会出现热点。上述发明的主要侧重点在于电池组的能量密度，而不在于通过有效散热实现耐用性，亦不在于通过排出可能释放的潜在有害气体实现安全性。电池组的维修和回收在设计时未予考虑。

背景技术：

技术实现思路

1、如权利要求所述，本发明提供了新型管状电池组和集成管状电池，可用于电动汽车和机器设备，以及大量电能的储运。本发明将锂离子电池封装进薄管中，并通过薄垫圈与管壁保持绝缘。电池表面的其余部分暴露，并通过对流和辐射与管内壁进行热交换。管安装在管板上，而管板又安装在矩形壳或柱形壳上。热流体流经壳内部并沿管外部绕流。每个管壳结构都构成一个模块。每个模块都有其自己的模块电池管理系统(bms)。模块之间以并联或串联的方式进行电连接。

2、如权利要求所述，本发明中的每根管都通向位于管板和封盖之间的密闭腔室，且管中潜在积聚的气体将在这里释放到安全排气系统。这些气体可能由管内锂离子电池缺陷而导致产生。每个模块中的每个腔室都连接到安全泄放装置，而所有安全装置又连接到排气集管。

3、除了管由不锈钢制成以实现防腐及与流体介质进行有效热交换的目的外，所有零部件都可以由塑料和复合材料制成。

4、管中每个电池都可以轻易替换为安装在汽车底盘上并易于接近的模块。这种构造法很紧凑，因为相邻的两根管之间的距离不需要超过1/4英寸或6毫米就可以实现最佳传热。

5、为实现锂离子电池安全充电，总是要在能量密度和散热之间进行权衡。由于相信电池技术会改进，电池的能量密度和弹性会增强，以及对更高效热交换系统的需求可能会增加，本发明提供了安全且高效的热交换系统。而且，这些管状电池还可应用于大型车辆，比如公共汽车和市内驾驶车辆，而这些车辆由于频繁加速和减速将产生更多热量。

6、发明简要说明

7、本发明涉及电动汽车和机器设备管状电池组和集成管状电池的制造，其特点是利用高能量密度锂离子电池和高效管壳式换热器结构进行热管理。电池包含一个或多个模块。每个模块都有两个固定管板，其中包含多根管，并安装在矩形壳或柱形壳上。每根管内都安装有一个锂离子电池，并通过薄垫圈与管壁保持电绝缘。电池表面的其余部分暴露，并通过对流和辐射将热量传递到管内壁。冷却或加热介质在壳内外和管的外表面循环，以保持在0℃-50℃的最适温度范围内。管束有两个电极连接到集成电池管理系统。

8、每根管都通向位于管板和封盖之间的密闭腔室，且管中潜在积聚的气体将在这里释放到安全排气系统。这些气体可能由管内锂离子电池缺陷而导致产生。每个模块中的每个腔室都连接到安全泄放装置，而所有安全装置又连接到排气集管。

9、图1a是管状电池组100的例示。直径为18毫米的锂离子电池200安装在公称直径为1英寸或25毫米的管101中，或直径为46毫米的电池或等效电池安装在公称直径为2英寸或50毫米的管101中。根据本发明的实施例，电池通过垫圈201与管内壁保持绝缘，从而防止导电到管上，并允许通过辐射和对流实现热流。

10、根据本发明的实施例，管101的两端连接到两个固定管板102，通向密闭腔室104并通过安全排气口1041释放电池产生的任何气体。

11、管板102固定在壳103上。根据本发明的实施例，热流体通过喷嘴1031和1032在壳103内外循环，且热交换在管外壁和流体之间进行。管板102还可用作法兰，以连接封口104和封盖105。

12、电池单元200带有连接垫圈201，置于每根管的中间。垫圈201确保电池壁和管内壁之间留有空隙202。大部分电池壁都暴露，并通过对流和辐射释放热量到管。阳极203和阴极204被封装在其绝缘板中，并从两端密封住模块化电池组。将阳极和阴极连接到电池管理系统(bms)205，以确保电池使用和充电安全。

13、电池还可作为管不可分割的一部分。在这种情况下，管壳组件构成集成管状电池。根据本发明的实施例，集成管状电池电极连接到管端，而不是连接到管壁，且仅通过管壁向在壳内外循环的热流体传导热量。

14、电池还可制成中空圆柱形电池。图1b是含有中空圆柱形电池200的管状电池组100的例示。如权利要求所述的本发明中集成管状电池内的中空圆柱形电池由两个同心圆柱体组成，并在内圆柱体的外表面和外圆柱体的内表面之间装有锂离子电池领域所知的极芯。由于拆除典型极芯造成的容量损失可通过减少沿大部分外围的极芯来弥补。内圆柱体的标准公称直径大小为0.25-1.5英寸或(6-38毫米)之间，而外圆柱体的公称直径为1-3英寸或(25-76毫米)之间。当目标是构建标准电池时，两个圆柱体都被切割至单节锂离子电池的合适长度，即2.56英寸(65毫米)-2.76英寸(70毫米)加上公差。所制备的中空圆柱形电池可以制成任意尺寸，因为唯一的限制在于热管理系统处理相关长度及要设计的可用空间限制的能力。

15、图2是在电池200的管壳结构截面中有封口的集成管状电池100的例示。如上所述，管101从两端连接到两个固定管板102。电池200是含有极芯组件230的典型圆柱形锂离子电池，如18650型锂离子电池。主要改进在于将底板212连接到电池阳极，及通过内部绝缘板211与圆柱壁210保持绝缘。而且还在绝缘板220下方增加了绝缘o型环221，并确保电池密封性。根据本发明的实施例，这种改进可使锂离子电池圆柱壁210保持绝缘，并允许为了导热(而非导电)与金属配件106和管壁101直接接触。

16、图3a和图3b显示了圆形和矩形管板102。由于对管数进行了优化，因此任意相邻孔之间的距离为1/4英寸或6毫米。直径加上相邻的两个孔之间的距离即为节距1021。如图3a和3b中的箭头所示，管孔相对于热介质的流动方向，呈三角形1022或转角正方形1023错排。根据本发明的实施例，三角形和转角正方形错排是首选管结构。

17、图4a显示了组装成电池组300的多个模块100。根据本发明的实施例，锂离子电池的方向为垂直方向。

18、图4b显示了组装成电池组300的多个模块100。根据本发明的实施例，锂离子电池的方向为水平方向。

19、图5显示了安装在汽车底盘上，与其他汽车模块500有关并根据本发明实施例的管状电池组300。

20、图6提供了与汽车模块500有关的电池温控模块400功能的逻辑树。电池的出口温度由温控模块400进行监测，该模块根据汽车模块500中汽车的运行模式确定设置条件及确定热模式为加热或冷却模式。热流体循环流量根据本发明的实施例设置。